脂滴在病原微生物感染中作用的研究進(jìn)展

嚴(yán)夢(mèng)楠(綜述) 周 建 李華茵(審校)

(復(fù)旦大學(xué)附屬中山醫(yī)院呼吸內(nèi)科 上海 200032)

脂滴是在19世紀(jì)由科學(xué)通過(guò)光學(xué)顯微鏡發(fā)現(xiàn)[1]。在20世紀(jì)90年代以前,認(rèn)為脂滴在細(xì)胞中不發(fā)揮任何功能而忽視了對(duì)它的研究。直到1991年發(fā)現(xiàn)perilipin (PLIN)蛋白特異定位在脂滴表面,才開(kāi)始關(guān)注脂滴的生物學(xué)功能[2]。脂滴在脂質(zhì)代謝和維持機(jī)體能量穩(wěn)態(tài)等方面起到重要的作用,脂滴功能受損會(huì)導(dǎo)致多種疾病。病原微生物可以利用脂滴進(jìn)行生命活動(dòng),完成自身復(fù)制及其在宿主中的持續(xù)存在,而脂滴也可在一定程度上起到抵御病原微生物入侵細(xì)胞的作用。本文對(duì)近年來(lái)脂滴在病原微生物感染中作用的研究進(jìn)展作一綜述。

脂滴的概述脂滴廣泛分布于真核細(xì)胞,在一些原核生物中有存在,是細(xì)胞內(nèi)中性脂的儲(chǔ)存場(chǎng)所[3-4]。

脂滴的形成 因?yàn)楹铣芍行灾拿割愔饕植荚趦?nèi)質(zhì)網(wǎng),因此目前普遍認(rèn)為脂滴是在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)形成的。雖然有不同的模型解釋從中性脂合成到脂滴形成的過(guò)程,但均未被完全證實(shí)。較廣泛接受的模型是中性脂在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)雙層膜中積聚并形成“透鏡樣脂質(zhì)結(jié)構(gòu)(lipid lens)”,積聚至一定程度后從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)以出芽(budding)的方式形成新生脂滴并繼續(xù)生長(zhǎng),最終形成成熟脂滴[5-6]。

脂滴的生物學(xué)特征及功能 脂滴由極性單磷脂層包裹疏水核心組成,是細(xì)胞內(nèi)諸如三酰甘油、膽固醇酯等中性脂的貯存場(chǎng)所[7-8]。在脂肪細(xì)胞中,脂滴的直徑可達(dá)到100 μm,而脂滴在非脂肪細(xì)胞中的直徑則可小于1 μm[4]。一直以來(lái),人們認(rèn)為脂滴的主要功能是儲(chǔ)存能量。隨著蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用,在脂滴表面發(fā)現(xiàn)了許多功能蛋白,如PLIN蛋白家族中的PLIN1蛋白、PLIN2蛋白[又稱為脂肪分化相關(guān)蛋白(adipose differentiation-related protein,ADRP)]以及PLIN3蛋白[又稱為47 000的尾連蛋白(tail-interacting protein of 47 000,TIP47)][9]。同時(shí)發(fā)現(xiàn)脂滴能夠與其他細(xì)胞結(jié)構(gòu)如內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、線粒體、過(guò)氧化物酶體、核內(nèi)體等相互作用,以維持細(xì)胞穩(wěn)態(tài)和應(yīng)對(duì)不利情況[10-11]。脂滴的功能不僅局限于脂類儲(chǔ)存與代謝。脂滴通過(guò)將游離脂肪酸轉(zhuǎn)化為中性脂,可以有效避免積聚的脂肪酸及其衍生物對(duì)細(xì)胞的毒性作用[6]。脂滴在維持內(nèi)質(zhì)網(wǎng)穩(wěn)態(tài)中也發(fā)揮了重要作用。當(dāng)體內(nèi)環(huán)境改變或有刺激因素存在時(shí),會(huì)啟動(dòng)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激(endoplasmic reticulum stress,ERS),并引起未折疊蛋白反應(yīng)(unfold protein response,UPR),與此同時(shí),脂滴也會(huì)相應(yīng)增加,從而有助于清除錯(cuò)誤折疊蛋白并恢復(fù)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)脂質(zhì)代謝平衡[12]。脂滴在自噬中也發(fā)揮了一定的調(diào)節(jié)作用[13]。當(dāng)細(xì)胞營(yíng)養(yǎng)不足時(shí)會(huì)引起自噬水平上調(diào),導(dǎo)致氨基酸及脂類釋放增多,而釋放的脂類再被酯化成三酰甘油后進(jìn)入脂滴。這一過(guò)程可以減少脂毒性對(duì)線粒體的損傷,保證線粒體功能正常[6]。此外,脂滴在膜轉(zhuǎn)運(yùn)和合成、蛋白質(zhì)貯存和降解、信號(hào)傳導(dǎo)、炎癥反應(yīng)等過(guò)程中也發(fā)揮重要作用。因此,脂滴被認(rèn)為是一個(gè)復(fù)雜且處于動(dòng)態(tài)變化的細(xì)胞器[8,11,14-15]。

脂滴在病原微生物感染中的作用近年來(lái)研究發(fā)現(xiàn),包括病毒、細(xì)菌、寄生蟲在內(nèi)的一些病原微生物都能與脂滴相互作用。最初認(rèn)為病原微生物主要是利用脂滴來(lái)獲得能量及脂質(zhì)等來(lái)源,而研究證據(jù)顯示脂滴也可以在免疫反應(yīng)中發(fā)揮媒介作用。

為病原微生物提供營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)及能量 結(jié)核分枝桿菌感染宿主肺泡巨噬細(xì)胞后,局部炎癥反應(yīng)導(dǎo)致免疫細(xì)胞向感染部位聚集并形成肉芽腫。肉芽腫的中心由泡沫巨噬細(xì)胞和朗格漢斯多核巨細(xì)胞包圍感染的巨噬細(xì)胞,周圍由淋巴細(xì)胞、成纖維細(xì)胞環(huán)繞。泡沫巨噬細(xì)胞的形成是分枝桿菌感染的典型特征之一[16]。研究發(fā)現(xiàn),包括結(jié)核分枝桿菌(Mycobacteriumtuberculosis)、牛型分枝桿菌(Mycobacteriumbovis)、麻風(fēng)桿菌(Mycobacteriumleprae)、海魚分枝桿菌(Mycobacteriummarinum)等在內(nèi)的細(xì)菌感染宿主細(xì)胞后,均會(huì)導(dǎo)致脂滴重新分布,脂滴被認(rèn)為是分枝桿菌慢性感染中主要的能量和碳來(lái)源[9]。海魚分枝桿菌感染宿主細(xì)胞后,宿主細(xì)胞內(nèi)原先散在分布的脂滴就會(huì)向吞噬了細(xì)菌的吞噬體處聚集,用熒光染料Bodipy493/503標(biāo)記脂滴,吞噬體內(nèi)中性脂的熒光強(qiáng)度增強(qiáng)。將熒光染料Bodipy558/568 C12標(biāo)記的脂肪酸與宿主細(xì)胞共同培養(yǎng),使宿主合成的脂質(zhì)帶熒光標(biāo)記,同時(shí)細(xì)菌體內(nèi)也出現(xiàn)熒光標(biāo)記[17](圖1)。結(jié)核分枝桿菌中有脂肪代謝相關(guān)酶類,編碼三酰甘油合酶-1 (triacylglycerol synthase 1,Tgs1)的基因,可利用宿主來(lái)源的脂肪酸合成三酰甘油,并存儲(chǔ)在細(xì)菌自身的脂滴中。結(jié)核分枝桿菌還編碼脂肪酶LipY,可分解細(xì)菌儲(chǔ)存的脂肪以供能,也可分解宿主細(xì)胞的三酰甘油來(lái)供細(xì)菌利用[18]。這些研究認(rèn)為在分枝桿菌感染過(guò)程中,脂滴起到供能及為細(xì)菌代謝提供所需物質(zhì)的作用。但Knight等[19]提出與傳統(tǒng)觀念不同的看法,在缺少脂滴的巨噬細(xì)胞中,結(jié)核分枝桿菌仍可以積累脂質(zhì),而巨噬細(xì)胞內(nèi)脂滴形成離不開(kāi)干擾素-γ(interferon-γ,IFN-γ)的作用。因此認(rèn)為,結(jié)核分枝桿菌感染后,細(xì)菌能夠獲取非脂滴來(lái)源的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)及能量。巨噬細(xì)胞內(nèi)脂滴的形成是依賴IFN-γ的程序化的巨噬細(xì)胞免疫反應(yīng),主要是為類花生酸的合成提供重要場(chǎng)所。

除了脂質(zhì)代謝,脂滴還可以將細(xì)胞內(nèi)的鐵通過(guò)結(jié)核分枝桿菌分泌的親脂性鐵載體運(yùn)輸給細(xì)菌,為細(xì)菌提供必要的代謝物質(zhì)[20]。

在對(duì)寄生蟲的研究中同樣發(fā)現(xiàn),克氏錐蟲(Trypanosomacruzi)、剛地弓形蟲(Toxoplasmagondii)、利什曼原蟲(Leishmaniamajor)等寄生蟲也可以誘導(dǎo)宿主細(xì)胞中脂滴積聚,同樣導(dǎo)致脂滴的重新分布[21]。這些寄生蟲利用宿主的脂類合成自身的脂滴,完成增殖、復(fù)制等生命活動(dòng)[22-23]。

AfterMycobacteriummarinuminfection,LDs relocate to the bacterium-containing compartment and are found to accumulate inside the compartment.Later,LDs are transferred into the bacteria.

圖1 分枝桿菌感染宿主細(xì)胞后脂質(zhì)分布
Fig 1 Distribution of lipids duringMycobacteriummarinuminfection of host cell

為病毒復(fù)制提供組裝平臺(tái) 丙型肝炎病毒(hepatitis C virus,HCV)的復(fù)制發(fā)生在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上,而組裝則發(fā)生在脂滴表面,病毒衣殼蛋白core蛋白和非結(jié)構(gòu)蛋白5 (nonstructural protein 5,NS5A)蛋白在其中發(fā)揮重要的作用。HCV感染后,在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上形成core蛋白,包括D1和D2兩個(gè)結(jié)構(gòu)區(qū)域:D1區(qū)域?yàn)檎妳^(qū)域,可以結(jié)合RNA和蛋白質(zhì);D2區(qū)域則與脂滴結(jié)合[24]。NS5A在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和脂滴上均有分布[24]。NS5A蛋白與病毒RNA結(jié)合,將RNA從復(fù)制位點(diǎn)運(yùn)到脂滴,從而被core蛋白包裹,形成一個(gè)完整的病毒顆粒[9]。在組裝過(guò)程中,宿主的二酰甘油酰基轉(zhuǎn)移酶(diacylglycerol acyltransferases 1,DGAT1)在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上與core蛋白和NS5A蛋白結(jié)合,并促進(jìn)其正確定位到脂滴表面[25-26]。在組裝過(guò)程中,TIP47和Ras相關(guān)蛋白18 (Rab18)起到重要作用:TIP47與NS5A相互作用,并依賴TIP47與脂滴的高親和力,將結(jié)合了RNA的NS5A運(yùn)送到脂滴表面[27];Rab18與NS5A結(jié)合,使病毒復(fù)制復(fù)合物與脂滴相互靠近[28](圖2)。與HCV同屬黃病毒科的登革熱病毒(dengue virus,DENV)、GB病毒B(GBV-B)等也都通過(guò)core蛋白定位到脂滴表面,完成病毒顆粒組裝[9,15]。

The replication of HCV genome is occurred on the cytoplasmic face of the ER.TIP47 brings RNA-loaded NS5A to the LD for the interaction with HCV core protein,resulting in the encapsidation of the viral RNA.TIP47:Tail-interacting protein of 47 000;Rab18:Ras-related protein 18;NS5A:Nonstructural protein 5 A;DGAT:Diacylglycerol acyltransferases;ER:Endoplasmic reticulum;RNA:Ribonucleic Acid.

圖2 HCV病毒與脂滴相互作用的模式圖
Fig 2 Model of interactions between HCV and lipid droplets

抵御病原微生物的感染 脂滴在病原微生物感染后的免疫反應(yīng)中發(fā)揮重要作用。結(jié)核分枝桿菌、HCV、剛地弓形蟲等病原微生物感染都會(huì)引起宿主細(xì)胞內(nèi)脂滴數(shù)量增加[29-31]。脂滴的核心由磷脂和中性脂組成,在酶的作用下可以釋放花生四烯酸。花生四烯酸是合成前列腺素、白三烯等類花生酸的主要底物,在脂滴中也存在合成類花生酸的酶類,包括環(huán)氧化酶(cyclooxygenases,COX)、前列腺素E2合成酶(prostaglandin E2 synthase)、白三烯C4合成酶(leukotriene C4 synthase)等,而類花生酸是參與炎癥反應(yīng)的重要信號(hào)分子[15,32-33]。當(dāng)宿主細(xì)胞遇到病原微生物感染時(shí),脂滴可以針對(duì)刺激產(chǎn)生相應(yīng)的炎癥介質(zhì),調(diào)節(jié)免疫反應(yīng)。

脂滴上還存在抗病毒的蛋白。病毒抑制蛋白(virus inhibitory protein,Viperin)是由干擾素誘導(dǎo)產(chǎn)生的抗病毒蛋白。Viperin依賴N端的α-螺旋結(jié)構(gòu)將其定位在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)靠近細(xì)胞質(zhì)的一面以及脂滴表面[34]。Viperin能在脂滴表面通過(guò)C末端區(qū)域與HCV的NS5A相互作用,從而發(fā)揮抑制病毒復(fù)制的作用[7]。HCV感染后,core蛋白能夠誘導(dǎo)肝臟的脂肪變性,該作用需要TIP47的參與。敲低TIP47表達(dá)后,core蛋白表達(dá)相應(yīng)減少,這可能成為減輕HCV感染后所致病理反應(yīng)的有效方法[35]。

組蛋白(histone)有抗微生物的作用[36]。游離的組蛋白會(huì)對(duì)細(xì)胞造成嚴(yán)重?fù)p傷,許多生物都會(huì)將細(xì)胞質(zhì)中游離的組蛋白降解掉[37]。從果蠅胚胎中提純的脂滴上發(fā)現(xiàn)較多量的組蛋白且在體外實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)出很強(qiáng)的殺菌作用,組蛋白通過(guò)Jabba蛋白定位到脂滴上,Jabba突變型果蠅胚胎的脂滴上缺少組蛋白[12]。為了驗(yàn)證脂滴上的組蛋白在體內(nèi)是否也能起到保護(hù)作用,將大腸埃希菌注入野生型和Jabba突變型果蠅胚胎,發(fā)現(xiàn)野生型細(xì)菌數(shù)量減少,而突變型細(xì)菌數(shù)量顯著增多。用其他革蘭陽(yáng)性和革蘭陰性細(xì)菌感染這兩型胚胎,野生型存活數(shù)較突變型多[7]。因此認(rèn)為,脂滴能通過(guò)組蛋白來(lái)保護(hù)果蠅免受細(xì)菌侵襲。

結(jié)語(yǔ)隨著對(duì)脂滴的認(rèn)識(shí)不斷加深,其呈現(xiàn)出更多、更復(fù)雜的功能。在脂滴與病原微生物相互作用的過(guò)程中,仍然有許多問(wèn)題需要解決,如:分枝桿菌具體是通過(guò)什么機(jī)制使脂滴得以在宿主細(xì)胞中重新分布,以及在脂滴相關(guān)研究中抑制劑的應(yīng)用是否會(huì)影響體內(nèi)脂質(zhì)穩(wěn)態(tài),能否保證未來(lái)作為治療手段使用時(shí)的安全性。通過(guò)揭示脂滴與病原微生物相互作用的詳細(xì)過(guò)程及具體機(jī)制,能夠?yàn)槿蘸笈R床控制并治療病原微生物感染提供新思路和新方法。